Đang tải... (xem toàn văn)
Giáo trình Kĩ thuật thực phẩm 1 với mục tiêu giúp các bạn có thể hiểu được các nguyên lý cơ bản của cân bằng vật chất và năng lượng trong quá trình chế biến thực phẩm; Trình bày được các khái niệm cơ sở của quá trình truyền khối (khuếch tán, trích lý, thẩm thấu) trong thực phẩm. Mời các bạn cùng tham khảo!
ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP TRƢỜNG CAO ĐẲNG CỘNG ĐỒNG ĐỒNG THÁP GIÁO TRÌNH (Ban hành kèm theo Quyết định số /QĐ-CĐCĐ ngày tháng năm 2017 Hiệu trưởng trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp) MÔN HỌC: KĨ THUẬT THỰC PHẨM NGÀNH, NGHỀ: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Đồng Tháp, năm 2017 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Giáo trìn biên soạn theo hướng tích hợp kiến thức kỹ cần có nghề cơng nghệ thực phẩm Giáo trình cập nhật kiến thức tổng quát cân vật chất cân lượng chế biến thực phẩm Để hồn thiện giáo trình tơi nhận ý kiến đóng góp cán kỹ thuật, công ty doanh nghiệp, quý thầy cô Lãnh đạo Trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp Tôi xin gởi lời cảm ơn đến cán kỹ thuật, công ty doanh nghiệp, Lãnh đạo Trường q thầy tham gia đóng góp ý kiến để giúp tơi hồn thành giáo trình Trong q trình biên soạn chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp, hỗ trợ từ cán kỹ thuật, cơng ty doanh nghiệp, đồng nghiệp để giáo trình hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Đồng Tháp, ngày 15 tháng năm 2017 Chủ biên Trần Hồng Tâm i MỤC LỤC Trang LỜI GIỚI THIỆU i MỤC LỤC ii GIÁO TRÌNH MƠN HỌC KĨ THUẬT THỰC PHẨM Chƣơng 1: ĐƠN VỊ VÀ THỨ NGUYÊN Định nghĩa số thuật ngữ .2 Các hệ thống đo đạt: Hệ thống đơn vị quốc tế SI Chuyển đổi đơn vị .3 CHƢƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT Khái niệm cân vật chất: Các nguyên tắc CHƢƠNG 3: CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG .18 Các nguyên tắc chung: .18 Các thuật ngữ lượng 18 Các đặc tính bão hồ q nhiệt 21 Cân lượng 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 ii GIÁO TRÌNH MƠN HỌC KĨ THUẬT THỰC PHẨM Tên môn học/mô đun: Kĩ thuật thực phẩm Mã môn học, mô đun: CCN 202 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học/ mơ đun: - Vị trí: Mơn sở ngành - Tính chất: Mơn bắt buộc - Ý nghĩa vai trị mơn học/mơ đun: Mơn học trang bị kiến thức cân vật chất cân lượng dùng chế biến thực phẩm Mục tiêu môn học/ mô đun: - Về kiến thức: Giúp sinh viên + Biết khái niệm đơn vị thứ nguyên + Hiểu nguyên lý cân vật chất lượng trình chế biến thực phẩm + Trình bày khái niệm sở trình truyền khối (khuếch tán, trích lý, thẩm thấu) thực phẩm - Về kỹ năng: + Tính tốn thành phần khối lượng, lượng chế biến thực phẩm + Phân tích đánh giá tác động q trình truyền khối (khuếch tán, trích ly, thẩm thấu) lên chất lượng sản phẩm hiệu làm việc chế biến thực phẩm - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Khả giao tiếp, làm việc độc lập làm việc nhóm hiệu + Trung thực, kỹ luật, tinh thần trách nhiệm, đạo đức nghề nghiệp khả thích nghi Nội dung môn học/mô đun: Thời gian (giờ) Số TT Tên chƣơng, mục Thực hành, Tổng số Lý thuyết thínghiệm, thảo Kiểm tra luận, tập Chương 1: Đơn vị thứ nguyên 2 Chương 2: Cân vật chất 13 10 Chương 3: Cân lượng 38 11 26 60 27 30 Cộng Chƣơng 1: ĐƠN VỊ VÀ THỨ NGUYÊN Mã Chƣơng: Giới thiệu: Kiến thức hệ thống đo lường sử dụng giới đơn vị đo lường thường dùng kỹ thuật Mục tiêu: Trình bày hệ thống đơn vị biết chuyển đổi hệ thống đơn vị Định nghĩa số thuật ngữ - Thứ nguyên (Dimension): dùng để định rỏ tính chất vật lý xét đến Ví dụ: thời gian, khoảng cách, khối lượng - Đơn vị (Unit): dùng để định rõ độ lớn kích cỡ thứ nguyên xét đến Ví dụ: m cho chiều dài, kg cho khối lượng - Đơn vị (Base unit): đơn vị độc lập thứ nguyên Nó dùng để định rỏ thứ nguyên Ví dụ: đơn vị chiều dài, khối lượng thời gian - Đơn vị chuyển hoá (Derived units): hỗn hợp thứ nguyên khác Ví dụ: đơn vị lực bao gồm thứ nguyên khối lượng, chiều dài thời gian * Nhƣ vậy: + Thứ nguyên: khái niệm để đo lường như: cơng, diện tích, vận tốc, khối lượng + Đơn vị: khái niệm để diễn tả thứ nguyên như: kg, m Các hệ thống đo đạt: Có hệ thống đo đạc sử dụng phổ biến giới là: - Hệ AES (American Engineering System): hệ thống lường Anh-Mỹ - Hệ CGS (viết tắt đơn vị là: cm, g, s) - Hệ SI (cải tiến hệ CGS) (1960): hệ thống đo lường sử dụng phổ biến giới Hệ thống đơn vị quốc tế SI 3.1 Các đơn vị hệ SI ký hiệu chúng Hệ đo lường quốc tế SI: hệ đo lường sử dụng rộng rãi Nó sử dụng hoạt động kinh tế, thương mại, khoa học, giáo dục công nghệ phần lớn nước giới * Một số đơn vị hệ đo lường quốc tế SI: - Đơn vị đo chiều dài: mét (m) - Đơn vị đo khối lượng: kilogam (kg) - Đơn vị đo thời gian: giây (s) - Đơn vị đo cường độ dòng điện: Ampe (A) - Đơn vị đo nhiệt độ độ: Celsius (oC) hay Kelvin (K) 3.2 Một số điều cần ý sử dụng hệ thống đơn vị SI Điểm chủ yếu hệ SI biểu thức thứ nguyên thuật ngữ có đơn vị là: mét, kilogam giây Nhiều đại lượng vật lý qui ước tên, biểu diễn số hạn đơn vị sử dụng phương trình thứ nguyên Khi sử dụng đúng, tính liên kết SI đảm bảo tính chắn thứ nguyên, tất đại lượng sử dụng cho thay đổi vào phương trình đơn vị SI Chuyển đổi đơn vị 4.1 Phƣơng trình thứ nguyên (Dimensional Equation) Một phương trình mà chứa số đơn vị gọi phương trình thứ ngun Các đơn vị phương trình thứ nguyên xử lý giống số hạng đại số Tất phương trình tốn học thực chữ số phải thực đơn vị tương ứng Ví dụ: 4m2 16m J kg K J 10kg 5K 5105 250J kg K kg K 5 4.2 Chuyển đổi đơn vị cách dùng phƣơng trình thứ nguyên Xác định hệ số chuyển đổi thích hợp, để sử dụng chuyển đổi đơn vị dễ dàng phương trình thứ nguyên Trình tự sau sử dụng để thành lập phương trình thứ nguyên cho chuyển đổi: (1) Đặt đơn vị đáp số phía bên trái phương trình (2) Số biến đổi đơn vị đưa vào phía bên phải phương trình (3) Thành lập hệ số chuyển đổi tỷ lệ (4) Nhân liên tục các hệ số chuyển đổi chẳn hạn như: đơn vị ban đầu rút gọn cách có hệ thống khử thay vào chổ cũ với đơn vị thích hợp Ví dụ 1.1: Chuyển đổi BTU/(lb oF) sang J/(g K) Giải J BTU hệ số chuyển đổi thích hợp g K lb 0 F Tử số J bên trái tương ứng với BTU phía bên phải phương trình Hệ số chuyển đổi 1055 J/BTU Vì đơn vị thích hợp có J tử số nên hệ số chuyển đổi phải có J tử số Hệ số 9,48 x 104 BTU/J có từ tra bảng, đưa vào J/9,48 x 104 BTU phương trình thứ nguyên Các hệ số khác cần 2,2046 x 103 lb g lb/453,6 g 1,8 0F/K Phương trình thứ nguyên là: J BTU 1054,8 J 2,2046 103 lb 1,80 F g K lb F BTU g K Hình thức phương trình thứ nguyên là: J BTU J lb 1,80 F g K lb F 9,4810-4 BTU 453,6 g K Khử đơn vị chuyển sang phương trình số học: J BTU 4,185 g K lb F Ví dụ 1.2: Nhiệt qua thành lò điện 6500 BTU/h Nếu lò hoạt động h có kW.h điện sử dụng để trì nhiệt độ lị (nhiệt vào = nhiệt đi)? Giải Để giải tập này, cần diễn đạt lại câu hỏi Chế độ cung cấp 6500 BTU/h cho h cần kW.h? Cơng suất lượng/thời gian vậy, tích cơng suất thời gian lượng lượng Năng lượng BTU biến đổi thành J Phương trình thứ nguyên là: J 6500 BTU 2h 1054,8 J h BTU W J / s; vậy, W s J, kW h kW h W s kW h 1000 W 3600 s 6500 BTU h 1054,8 J kW h h BTU 1000 W 3600 s kW.h 3,809 Một phương trình thứ nguyên để lựa chọn là: kW h 6500 BTU h h 1,757 10 -2 kW 3,809 h 60 BTU / Ví dụ 1.3: Một bảng cho độ nhớt nước nhiệt độ khác lập thành danh sách độ nhớt đơn vị lb/(ft h) Xác định đơn vị SI thích hợp tính hệ số chuyển đổi Đơn vị gốc có đơn vị khối lượng (lb), khoảng cách (ft), thời gian (h) Các đơn vị SI tương đương kg/(m s) Giải Phương trình thứ nguyên cho chuyển đổi là: kg lb hệ số chuyển đổi m s ft h = lb lb kg 3,281 ft h 4,13 104 m 3600 s ft h ft h 2,2046 lb Độ nhớt SI biểu diễn theo Pas Thấy rằng, điều có đơn vị tương tự ví dụ trước Pa s kg m s kg N s 2 m s m s m Bài tập Chƣơng Bài 1: Sữa chảy đầy đường ống d = 1,8 cm làm đầy tank chứa có đường kính 12,4 ft3 thời gian 1h Tính vận tốc dòng sữa đường ống theo đơn vị m/s Bài 2: Hòa tan 20 kg NaCl 100 kg H2O dung dịch có khối lượng riêng 1323 kg /m3 Tính nồng độ dung dịch theo đơn vị: - Phần Trăm khối lượng - Phần trăm thể tích - Phần mol Nồng độ mol Nhiệt độ tham chiếu (Tref) cho việc xác định enthalpy nước bảng nước 32,018 oF hay 0,01 oC Enthalpy cấu tử hệ thống tương đương với enthalpy nước đạt từ bảng nước nhiệt độ T cho phương trình: H Cp T Tref (3.3) Trong phương trình (3.3), Cp nhiệt dung riêng áp suất không đổi 2.2 Nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng (Cp) lượng nhiệt kèm biến thiên đơn vị nhiệt độ đơn vị khối lượng Nhiệt dung riêng thay đổi theo nhiệt độ chất khí nhiều so với chất lỏng chất rắn Hầu hết chất rắn chất lỏng có nhiệt dung riêng không đổi khoảng nhiệt độ rộng Sự biến thiên enthalpy vật liệu với khối lượng m là: T q m C dt T1 (3.4) p Các bảng sổ tay cho nhiệt dung riêng lấy trung bình khoảng nhiệt độ Khi nhiệt dung riêng trung bình cho, phương trình (3.4) trở thành: ( ) (3.5) Đối với chất rắn chất lỏng, phương trình (3.3) phương trình (3.5) có giá trị khoảng nhiệt độ gặp hệ thống sản xuất thực phẩm * Tính nhiệt dung riêng thực phẩm theo công thức Siebel: Thực phẩm có độ ẩm M, hàm lượng lipid F, hàm lượng chất khô không béo NF, nhiệt dung riêng trung bình là: CP = M CH2O + F CF + NF CNF Với: CH2O = BTU/lboF CF = 0,4 BTU/lboF CNF = 0,2 BTU/lboF BTU/lb.oF CP = M + 0,4 F + 0,2 NF = 4,18 M + 1,672 F + 0,836 NF KJ/kg K (vì BTU/lb oF = 4,18 KJ/Kg K) Ví dụ 3.1: Tính nhiệt dung riêng thịt bị nướng chứa 15% protein, 20% lipid 65% nước Giải CP = 0,15 (0,2) + 0,20 (0,4) + 0,65 (1) 19 = 0,76 BTU/(lb oF) CP = 0,15 (0,836) + 0,2 (1,672) + 0,65 (4,18) = 3,1768 KJ/(Kg K) Ví dụ 3.2: Tính nhiệt dung riêng trung bình nước cam đặc có nồng độ chất khơ 45% Giải Ta có phân khối lượng chất khơ theo đề 45% phân khối lượng ẩm = – 45 = 0,55 CP = M + 0,2 NF CP = (0,55) + 0,20 (0,45) = 0,64 BTU / (lb oF) CP = 4,18 (0,55) + 0,836 (0,45) = 2,6752 KJ / (Kg K) 2.3 Ẩn nhiệt nhiệt cảm: * Ẩn nhiệt: lượng kết hợp với chuyển pha, nhiệt nóng chảy từ chất rắn sang chất lỏng nhiệt bốc từ chất lỏng thành Vật chất có khối lượng m thay đổi trạng thái từ sang lỏng, nhiệt chuyển q = m ∆i = m (i,, - i,) pha là: i,, : enthalpy bão hòa (KJ/Kg) i, : enthalpy lõng bão hịa (KJ/Kg) * Nhiệt hố hơi: lượng nhiệt cần cung cấp cho chuyển pha từ chất lỏng sang Vật chất có khối lượng m thay đổi trạng thái từ lỏng sang hơi, nhiệt chuyển pha là: q=m.r r: nhiệt hoá (KJ/Kg) * Nhiệt cảm: định nghĩa lượng truyền hai vật thể nhiệt độ khác lượng diện nhiệt độ q = m Cp∆t Ví dụ 3.3: 20 Tính nhiệt cần cung cấp để nâng nhiệt 100 lb thịt bò (chứa 15% protein, 20% lipid 65% nước) từ 40oF - 150oF Đơn vị tính BTU, J, W.h Giải Nhiệt cung cấp cho trình là: q = mCp∆t CP = M + 0,4 F + 0,2 NF = 0,65 + 0,4 (0,2) + 0,2 (0,15) (1) = 0,76 BTU / (lb oF) q = 100 lb x 0,76 BTU / (lb oF) x 110oF = 8360 BTU = 8360 BTU x 1055 J / BTU = 8819800 J = 8819800 J = 8819800 W.s = 8819800 W.s x 1h/3600 s = 2450 W.h = 2,45 KW.h Các đặc tính bão hồ q nhiệt 3.1 Các đặc tính nƣớc Hơi nước nước môi trường truyền nhiệt sử dụng thường xuyên sản xuất thực phẩm Nước thành phần sản phẩm thực phẩm Các bảng nước liệt kê đặc tính nước, hữu dụng việc tra cú để xác định trao đổi nhiệt gồm sản phẩm thực phẩm nước nước Ở nhiệt độ điểm đóng băng, nước tồn hình thức sau đây: - Lỏng bão hồ: Nước lỏng cân với Áp suất tổng bề mặt chất lỏng phải cao áp suất Nếu áp suất tổng chất lỏng lớn áp suất hơi, chất lỏng thể khác diện phần áp suất khí chất lỏng Nếu áp suất tổng bề mặt chất lỏng áp suất hơi, chất lỏng điểm sơi 21 - Hơi bão hoà: Hơi bão hoà nhiệt độ điểm sôi lỏng Việc hạ nhiệt độ nước bão hồ áp suất khơng đổi số gia nhỏ làm cho ngưng tụ thành lỏng Sự thay đổi pha kèm theo giải phóng nhiệt Nếu nhiệt bị loại hệ thống nhiệt độ áp suất giữ không đổi tất chuyển thành lỏng Sự cung cấp nhiệt cho hệ thống làm thay đổi nhiệt độ hay áp suất hay hai - Hỗn hợp lỏng-hơi: Hơi với chất lượng thấp 100% Nhiệt độ áp suất tương ứng với điểm sơi, nước tồn lỏng bão hòa bão hồ Sự bổ sung nhiệt khơng làm thay đổi nhiệt độ áp suất toàn lỏng bão hoà chuyển thành Sự loại nhiệt từ hệ thống không làm thay đổi nhiệt độ áp suất tồn hố lỏng - Hơi nhiệt: Hơi nước nhiệt độ cao điểm sôi Số độ nhiệt độ lớn nhiệt độ điểm sôi độ nhiệt (degrees superheat) Sự bổ sung nhiệt nhiệt tăng nhiệt áp suất không đổi thay đổi kể áp suất nhiệt độ thể tích khơng đổi Sự loại nhiệt cho phép nhiệt độ giảm đến nhiệt độ điểm sôi, giữ khơng đổi tất ngưng tụ - Chất lƣợng hơi: Là % bão hoà hỗn hợp lỏng-hơi 3.2 Bảng nƣớc Bảng nước số liệu xếp thành bảng đặc tính nước bão hoà nhiệt 3.3.2.1 Bảng nước bão hoà Bảng nước bão hoà chứa mục nhiệt độ đầu đề nhiệt độ, áp suất tuyệt đối, thể tích riêng, enthalpy Nhiệt độ áp suất tuyệt đối tương ứng với điểm sơi hay nhiệt độ áp suất nước bão hoà Áp suất tuyệt đối nhiệt độ cho áp suất Đường gạch bảng chứa đầu mục chung, đầu mục chia nhỏ thành lỏng bão hoà, hỗn hợp lỏng-hơi, bão hoà Các số liệu mục lỏng bão hồ cho đặc tính nước lỏng nhiệt độ cho Các số liệu dước mục bão hồ cho đặc tính điểm sơi Các số liệu mục lỏng-hơi biến thiên chuyển pha hiệu số đặc tính bão hồ lỏng bão hồ 22 - Thể tích riêng nghịch đảo khối lượng riêng Nó thể tích tính ft3 lb nước nước điều kiện cho - Enthalpy hàm nhiệt đơn vị khối lượng nước nhiệt độ áp suất cho Các giá trị enthalpy bảng tính từ nhiệt độ 0oC Sự thay đổi lượng với thay đổi nhiệt độ áp suất hiệu số enthalpy đầu enthalpy cuối 3.3.2.2 Bảng nhiệt Bảng nhiệt nhiệt độ áp suất tuyệt đối phải xác định rỏ để giải thích độ nhiệt cách xác Từ nhiệt độ áp suất tuyệt đối, thể tích riêng v tính ft3/lb enthalpy h tính BTU/lb đọc từ bảng tra 3.3 Phép nội suy từ bảng nhiệt Vì số liệu bảng nước khơng bao hàm tất điều kiện, cần phải nội suy số liệu để đạt đặc tính tổ hợp điều kiện cho Trong trường hợp nhiệt với nhiệt độ áp suất cần thiết để xác định trạng thái hệ thống nên nội suy cần trước tiên Các ví dụ sau cho thấy nội suy tiến hành 3.4 Các đặc tính nƣớc có chất lƣợng thấp 100% Enthalpy hỗn hợp lỏng - có thành phần (chất lượng hơi) x bằng: iS = xi,, + (1 - x) i, Thể tích riêng hỗn hợp lỏng - có thành phần (chất lượng hơi) x bằng: vS = xv,, + (1 - x) v, Ví dụ 3.4: Tìm enthalpy thể tích riêng hỗn hợp lỏng-hơi có nhiệt độ 120oC chất lượng 90% Giải 23 Tra bảng nước 120oC ta có: i, = 503,7 KJ/Kg i,, = 2706 KJ/Kg v, = 0,0010603 m3/kg v,, = 0,8917 m3/kg Enthalpy: iS = xi,, + (1 - x) i, = 0,9 (2706) + 0,1 (503,7) = 2485,77 (KJ/Kg) Thể tích riêng: vS = xv,, + (1 - x) v, = 0,9 (0,8917) + 0,1 (0,0010603) = 0,803 (m3/kg) Cân lƣợng Nhiệt vào = nhiệt + nhiệt tích lũy hệ thống Ở trạng thái ổn định, nhiệt tích lũy hệ thống = 0: đó, nhiệt vào hệ thống = nhiệt khỏi hệ thống Các tập cân nhiệt lượng làm dễ dàng cách dùng giản đồ để thấy dịng q trình mang nhiệt vào mang nhiệt hệ thống 4.1 Phƣơng pháp giải tốn cân lƣợng + Những thơng tin dòng sơ đồ khối thay đổi sơ đồ khối giống Cân Bằng Vật Chất + Cùng với việc chọn tính cần chọn thêm nhiệt độ tham chiếu tref (reference temperature) (Nhiệt độ tham chiếu tref nhiệt độ coi enthalpy = 0) 24 * Nhiệt độ tham chiếu chọn tuỳ ý phải hợp lí với toán cụ thể * Đối với toán có sử dụng nước chọn nhiệt độ tham chiếu tref = 0oC + Chỉ có phương trình cân lượng cho bao hình 4.2 Bài tốn trao đổi nhiệt gián tiếp: Ví dụ 3.5: Tính lượng nước cung cấp cho thiết bị trao đổi nhiệt để làm nguội 100 kg xốt cà chua từ 90oC xuống 20oC Xốt cà chua chứa 40% chất khô Nhiệt độ nước làm nguội tăng lên 10oC sau qua thiết bị trao đổi nhiệt Khơng có hỗn hợp nước xốt cà chua thiết bị trao đổi nhiệt Biết NDR nước 20oC 30oC là: 4,182 KJ/Kg.K 4,176 KJ/Kg.K Giải Gọi TW1 = nhiệt độ nước vào = 20oC TW2 = nhiệt độ nước thoát = 20 + 10 = 30oC Để nhiệt độ xốt cà chua 20oC nhiệt độ nước làm nguội vào thiết bị trao đổi nhiệt tW1 ≤ 20oC Chọn tW2 = 20oC Chọn tính 100 kg xốt cà chua vào tref = 10oC Cân lượng cho thiết bị trao đổi nhiệt 25 qF + qW2 = qP + qW2 (1) qF = FCF (tF - tref) mà CF = 4,18 (0,6) + 0,836 (0,4) = 2,8424 KJ / KgK qF = 100 2,8424 (90 - 10) = 22739,2 KJ qW1 = W.CW1 (tW1 - tref) = W.4,182 (20 - 10) = 41,82 W qP = P.CP (tP - tref) = 100 2,8424 (20 - 10) = 2842,4 KJ qW2 = W.CW2 (tW2 - tref) = W.4,176 (30 - 10) = 83,52W Pt (1) viết lại là: 22739,2 + 41,82 W = 2842,4 + 83,52 W W = 477,14 (kg) 4.3 Bài tốn sử dụng nƣớc có chất lƣợng x: Ví dụ 3.6: Sữa nâng nhiệt từ 60 – 115oC với suất 500 kg/h Thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước có chất lượng 90 % hiệu suất thiết bị 85 % Hệ thống thiết kế để nước ngưng tụ 115oC Tính khối lượng thể tích dịng nước để thực mục đích trên, biết nhiệt dung riêng sữa KJ/Kg.oC Biết NDR nước 115oC 4,228 KJ/Kg.oC Giải Để nhiệt độ sau sữa 115oC tS ≥ 115oC Chọn tS = 120oC Chọn tính 1h tref = 0oC 26 3,86 Cân lượng cho hệ thống là: qF + qS = qP + qW + qtt = qP + qW + 0,15qs qF + 0,85 qS = qP + qW qP - qF = 0,85qS - qW PCP (tP - tref) - FCF (tF - tref)= 0,85 SiS - WCW (tW - tref) FCF (tP - tF) = S [0,85 iS - CW (tW - tref)] S = FCF (tP - tF) / [0,85iS - CW tW] mà iS = xi,, + (1 - x) i, = 2485,77 KJ/Kg vS = 0,803 (m3/kg) S = 500 3,86 (115 - 60)/[0,85 2485,77 - (4,228 115)] = 65,26 (kg / h) V = S vS = 65,26 kg / h 0,803 m3/kg = 52,4 (m3/h) 4.4 Bài toán truyền nhiệt để làm nguội sản phẩm tiệt trùng: Ví dụ 3.7: Một Autoclave chứa 1000 hộp soup đậu tiệt trùng đến 100oC Các hộp làm nguội đến 40oC trước lấy khỏi Autoclave Tính lượng nước cần thiết để làm nguội nhiệt độ nước vào 15oC nhiệt độ nước 35oC Biết NDR soup đậu: 4,1 KJ/Kg.oC msoup = 0,45 kg/hộp, NDR hộp sắt 0,5 KJ/Kg.oC mhộp= 60 g Biết NDR nước 15oC 35oC là: 4,187 KJ/Kg.oC 4,175 KJ/Kg.oC Giả sử nhiệt thành Autoclave 40oC là: 1,6 104 KJ khơng có mát nhiệt q trình chế biến Giải Số lượng hộp soup đậu: 1000 hộp Khối lượng soup: 0,45 kg/hộp 27 Khối lượng hộp sắt: 0,06 kg/hộp NDR hộp sắt: 0,5 KJ/KgoC Nhiệt lượng thành thiết bị: 1,6.104 KJ Nhiệt độ nước vào: 15oC Nhiệt độ nước ra: 35oC Nhiệt độ đầu hộp: 100oC Nhiệt độ cuối hộp: 40oC Chọn tính 1000 hộp soup, tref = 40oC * Năng lƣợng vào: qsoup = 1000 0,45 4,1 (100 - 40) = 110700 KJ Năng lượng 1000 vỏ hộp là: qvỏ hộp = 1000 0,06 0,5 (100 - 40) = 1800 KJ Năng lượng nước vào: qW1 = W1 C1 (15 - 40) = W 4,187 (-25) = -104,675 W Năng lượng thành thiết bị 40oC là: qTB = 1,6 104 KJ * Năng lƣợng ra: Năng lượng 1000 hộp soup = (vì tref = tP = 40oC) Năng lượng dòng nước là: qW2 = W2 C2 (35 - 40) = W 4,175 (-5)= -20,875 W 28 Phương trình CBNL cho trình trao đổi nhiệt là: qsoup + qvỏ hộp + qW1 + qTB = qW2 110700 + 1800 - 104,675 W + 16000 = -20,875 W W = 1533 (kg) 29 4.5 Bài toán kết hợp cân vật chất cân lƣợng: Ví dụ 3.8: Một máy sấy sử dụng m3 gas 1h để sấy casein từ 55 % ẩm xuống 10 % ẩm Biết lượng gas 800 KJ / mol suất thiết bị 60 kg casein 1h Tính hiệu sử dụng lượng Giải 4m3gas/h Đốt cháy nước W = ? kg F = 60 kg/h 55% ẩm P = ? kg 10% ẩm Sấy Chọn tính 1h Phương trình CBVC tổng quát: F = W + P = 60 (1) Phương trình CBVC cho cấu tử ẩm: 0,55F = W + 0,1P = 33 Từ pt (1) (2) (2) P = 30 (kg) W = 30 (kg) Nhiệt lượng cần thiết cho 30 kg ẩm khuếch tán vào tác nhân sấy: q1 = W r = 30 2257 = 67710 KJ Nhiệt lượng 4m3 gas cung cấp cháy: q2 = 800 1000 L / 22,4 L = 142857,14 KJ Hiệu sử dụng lượng: H = q1 / q2 = 67710 / 142857,14 = 0,474 = 47,4 % Ví dụ 3.9: 30 Hơi nước sử dụng để bóc vỏ khoai tây q trình bán liên tục với suất kg hơi/100 kg khoai tây Khoai tây chưa bóc vỏ có nhiệt độ 17oC vào hệ thống khỏi thiết bị có nhiệt độ 35oC, nhiệt độ dịng nước thải 60oC Nhiệt dung riêng khoai tây chưa bóc vỏ, dòng nước thải khoai tây bóc vỏ là: 3,7 KJ/KgoC, 4,2 KJ/KgoC, 3,5 KJ/KgoC Biết enthalpy dòng nước 2750 KJ/Kg Hãy xác định khối lượng dòng nước thải khoai tây bóc vỏ Giải Chọn tính 100 kg khoai tây chưa bóc vỏ, tref = 0oC Phương trình CBVC tổng quát: F+S=P+W P + W = 100 + = 104 (1) Phương trình CBNL cho thiết bị bóc vỏ là: qF + q S = qP + q W FCF (tF - tref) + S.iS = PCP (tP - tref) + WCW (tW - tref) 100 3,7 17 + 2750 = P 3,5 35 + W 4,2 60 122,5 P + 252 W = 17290 (2) Từ pt (1) (2): ta có P + W = 104 122,5 P + 252 W = 17290 31 P = 68,87 (kg) W = 35,13 (kg) Bài Tập Chƣơng Bài 1: Lượng nhiệt cần để thay đổi nhiệt độ loại vật liệu từ nhiệt độ T1 đến T2 cho công thức: q mC p T2 T1 Với q = BTU, m = khối lượng vật liệu tính lb, CP = nhiệt dung riêng vật liệu tính BTU/lb.oF, T1 T2 = nhiệt độ ban đầu ban cuối tính oF a) Nhiệt lượng (BTU) yêu cầu để nướng 10 lb thịt từ nhiệt độ 400 đến 1300F bao nhiêu? b) Chuyển nhiệt lượng BTU câu (a) sang W.h c) Nếu thịt nướng nướng lị Microwave có cơng suất 200W, thời gian nướng bao lâu? Bài 2: Một máy sấy sử dụng 5,5 m3 gas 1h để sấy casein từ 60% ẩm xuống 15% ẩm Biết lượng gas 650 KJ / mol suất thiết bị 75 kg casein 1h Tính hiệu sử dụng lượng Bài 3: Thực phẩm lỏng có nhiệt dung riêng 3,936 KJ/kg oC nâng nhiệt từ 30 - 120oC cách phun nước có áp suất p = 2,3 bar trực tiếp vào thực phẩm Biết thực phẩm lỏng vào có nồng độ 12% chất khơ suất nhập liệu 500 kg/h Tính lượng nước cần thiết chất lượng để đảm bảo sản phẩm có nồng độ 10% chất khơ Biết nhiệt dung riêng nước 300C 1200C 4,176 KJ/kg oC 4,232 KJ/kg oC 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO Võ Tấn Thành (2011), Giáo trình Kỹ thuật thực phẩm 1, NXB Đại học Cần Thơ Fellows P J (2000), Food Processing Technology, Principles and Practice, Second Edition, Woodhead Publishing in Food Science and Technology Toledo T Romeo (2001), Fundamentals of Food Process Enginerring, Second Edition, Van Nostrand Reinhold, New York Toledo T Romeo (2007), Fundamentals of Food Process Enginerring, Third Edition, Van Nostrand Reinhold, New York 33 ... qW2 (1) qF = FCF (tF - tref) mà CF = 4 ,18 (0,6) + 0,836 (0,4) = 2,8424 KJ / KgK qF = 10 0 2,8424 (90 - 10 ) = 22739,2 KJ qW1 = W.CW1 (tW1 - tref) = W.4 ,18 2 (20 - 10 ) = 41, 82 W qP = P.CP (tP - tref)... hộp là: qvỏ hộp = 10 00 0,06 0,5 (10 0 - 40) = 18 00 KJ Năng lượng nước vào: qW1 = W1 C1 (15 - 40) = W 4 ,18 7 (-2 5) = -1 0 4,675 W Năng lượng thành thiết bị 40oC là: qTB = 1, 6 10 4 KJ * Năng lƣợng... qW qP - qF = 0,85qS - qW PCP (tP - tref) - FCF (tF - tref)= 0,85 SiS - WCW (tW - tref) FCF (tP - tF) = S [0,85 iS - CW (tW - tref)] S = FCF (tP - tF) / [0,85iS - CW tW] mà iS = xi,, + (1 - x)